Sapiens на диете. Всемирная история похудения, или Антропологический взгляд на метаболизм

Углеводы

Если вы соблюдаете типичную американскую диету, то углеводы составляют около половины калорий, которые вы потребляете каждый день. На самом деле, несмотря на недавно ставшие популярными низкоуглеводные диеты, люди во всех культурах и по всему миру, включая охотников и собирателей, таких как хадза, обычно получают больше калорий из этих веществ, чем из жиров или белков (см. Главу 6). В конце концов, мы приматы, а они едят растения – особенно мы любим спелые сладкие плоды. Углеводы являются нашим основным источником топлива, и мы уже 65 миллионов лет полагаемся на них.

Рисунок 2.1. «Карта метро» макронутриентов. У каждого макроэлемента (жиров, белков и углеводов) свой путь в организме, и на нем три основные остановки: переваривание, строительство и сжигание. Стрелки с одним наконечником указывают на односторонние пути. Дорожки с двуглавыми стрелками идут в обоих направлениях. Некоторые пути опущены для ясности. При переваривании клетчатки микробиотой производятся жирные кислоты, которые присоединяются к «Жировому пути». Сахара используются для построения некоторых структур в организме, таких как ДНК. Многие пути, по которым аминокислоты могут быть преобразованы в глюкозу или кетоны, не показаны. Галактоза, наименее распространенный продукт переваривания углеводов, также отсутствует. е-: электроны. Н+: ионы водорода.

Углеводы бывают трех основных видов: сахара, крахмал и клетчатка. Сахара и крахмал усваиваются и используются либо для накопления запасов гликогена, либо сжигаются для получения энергии (см. Рис. 2.1). Они также могут быть преобразованы в жир, как мы увидим ниже. Клетчатка – это другой зверь, выполняющий важную задачу в кишечнике, регулирующем переваривание и поглощение сахаров и крахмалов, а также питающий триллионы бактерий и других микроорганизмов кишечной микробиоты. На самом деле, она играет существенную роль в переваривании клетчатки, и без нее у нас были бы большие проблемы. Но сначала давайте узнаем побольше о сахарах и крахмале.

Сахара – это всего лишь маленькие углеводы – небольшие цепочки атомов углерода, водорода и кислорода. Самые крошечные из них размером всего лишь с одну большую молекулу сахара (отсюда и приставка «моно» в их техническом названии, «моносахариды»; «сахарид» просто означает «сахар»). Моносахариды – это глюкоза, фруктоза и галактоза. Другие сахара – сахароза, лактоза и мальтоза – состоят из двух моносахаридов, соединенных вместе, и называются «дисахаридами» («два сахара»). Сахароза (столовый сахар) – это глюкоза и фруктоза, связанные вместе. Лактоза (молочный сахар) – это глюкоза и галактоза. Мальтоза – это две глюкозы.

Крахмалы – это просто связанные в одной цепочке молекулы сахара. Поскольку вместе связаны очень много молекул сахара, крахмалы также называют «полисахаридами» («поли» означает много), или «сложными углеводами». Безусловно, самой распространенной молекулой сахара в натуральном крахмале является глюкоза, а растительные молекулы крахмала могут быть длиной в сотни молекул. Крахмал – это способ растений накапливать энергию, вот почему его очень много в картофеле и ямсе. Почти весь растительный крахмал (крахмал в еде) состоит всего из двух полисахаридов, называемых «амилоза» и «амилопектин».

Независимо от того, из какой пищи они поступают, крахмалы и сахара в процессе пищеварения превращаются в один из трех моносахаридов. Переваривание крахмала начинается во рту, с фермента в слюне, называемого амилазой, который начинает расщеплять длинные молекулы амилозы и амилопектина на более мелкие. Ферменты – это белки, которые расщепляют молекулы или вызывают химические реакции (их названия обычно заканчиваются на «-аза»). Пищеварительные ферменты, такие как амилаза, дробят молекулы пищи на все более мелкие кусочки. Крахмалы настолько важны в развитии человека, что мы эволюционировали, чтобы производить больше амилазы, чем любая из обезьян (это мы обсудим в Главе 6).

* * *

После проглатывания жидкий болюс пищи[14] попадает в желудок, где кислота убивает бактерии и другие патогены в пище. После этого еда выталкивается из желудка в тонкий кишечник, где происходит большая часть пищеварительной работы. В тонком кишечнике крахмал и сахара подвергаются воздействию ферментов, вырабатываемых кишечником и поджелудочной железой, чтобы расщепить их. Поджелудочная железа, орган длиной около 12 см и формой напоминающий тонкий перец чили, располагается прямо под желудком и соединяется с тонкой кишкой коротким протоком. Он известен тем, что производит инсулин, однако поджелудочная железа тоже выделяет большинство из нескольких десятков ферментов, используемых в пищеварении (наряду с бикарбонатом, который нейтрализует желудочную кислоту, когда она попадает в кишечник). Цепочка этих ферментов (их специфическая форма и состав) и уровни производства (нужно ли выделять много или мало определенного вещества) контролируются генами. Например, если у вас непереносимость лактозы и вы не можете переваривать молоко, это означает, что ваши гены остановили сборку и производство фермента лактазы, который необходим для расщепления дисахарида лактозы на глюкозу и галактозу. Никакой другой фермент не может выполнить эту работу, поэтому нерасщеплённая лактоза направляется в толстую кишку вместе с бактериями, которые производят много газа и вызывают другие «прекрасные» побочные эффекты при непереносимости молока.

Переваривание крахмала и сахара продолжается до тех пор, пока все полисахариды и дисахариды не распадутся на моносахариды. Поскольку большая часть углеводов в вашем рационе приходится на крахмал, а он полностью состоит из глюкозы, около 80 % крахмала и сахаров, которые вы потребляете, в итоге превращаются в глюкозу. Остальное расщепляется до фруктозы (около 15 %) или галактозы (около 5 %). Конечно, если вы придерживаетесь диеты из большого количества обработанных продуктов с высоким содержанием сахара (например сахарозы, состоящей их глюкозы и фруктозы) или кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (в котором 50 % фруктозы и 50 % глюкозы, смешанной с водой), для вас процент фруктозы может быть немного выше, а содержание глюкозы несколько ниже.

Эти сахара всасываются через кишечную стенку и попадают в кровоток. Стенки кишечника сплошь оплетены кровеносными сосудами, и приток крови к этому органу удваивается после еды, чтобы усвоить все питательные вещества. Результатом является привычное повышение уровня сахара в крови (почти вся глюкоза) после еды, особенно с высоким содержанием углеводов. Если пища, которую вы едите, обработана, содержит мало клетчатки и легко усваивается, углеводы быстро перевариваются и сахар устремляется в кровоток, провоцируя повышение уровня глюкозы в крови. Эти продукты, как говорят, имеют высокий гликемический индекс, который представляет собой повышение уровня глюкозы в крови, измеренное через два часа после приема пищи, относительно повышения, которое было бы у вас после употребления глюкозы. Продукты, которые труднее перевариваются (сложные углеводы с низким содержанием сахара и большим количеством клетчатки), усваиваются дольше, что приводит к медленному и невысокому повышению уровня сахара в крови – они имеют низкий гликемический индекс. Мы обсудим диеты в Главе 6, но уже сейчас можно сказать, что продукты с низким гликемическим индексом намного полезнее.

Микробиота – это комплекс бактерий в организме человека, весом более двух килограммов.

Невоспетые герои всей пищеварительной системы – это пищевые волокна и микробиота. Клетчатка – это класс углеводов (у нее есть много разновидностей), которые организм не может переварить самостоятельно.

Именно эти жесткие тягучие молекулы придают растениям их прочность и структуру. Клетчатка, получаемая из пищи, покрывает стенки кишечника, подобно влажному вязаному одеялу, образуя решетчатый фильтр, который замедляет всасывание в кровоток сахаров и других питательных веществ. Вот почему гликемический индекс – приток сахара в кровь – примерно на 25 % выше для апельсинового сока, в котором не так много клетчатки, по сравнению с кусочком апельсина, в котором она есть.

Клетчатка также питает микробиоту, оживленную экосистему организмов, которые живут в кишечнике и помогают переваривать пищу. Большая часть бактерий обитает в толстом кишечнике, где они переваривают клетчатку и другие вещества, которые организм не способен расщепить самостоятельно в тонком кишечнике. Мы только начинаем осознавать важность микробиоты, но ее масштабы ошеломляют. С триллионами бактерий, у каждой из которых тысячи генов, микробиота подобна двухкилограммовому суперорганизму, живущему внутри вас. Эти микробы переваривают большую часть клетчатки, которую мы едим, используя ферменты, которые наши клетки не могут синтезировать, и производят короткоцепочечные жирные кислоты, которые они поглощают и используют для получения энергии. Микробиота также переваривает другие вещества, которые выходят из тонкого кишечника, укрепляет иммунную систему, помогает вырабатывать витамины и другие необходимые питательные вещества, а также поддерживает работу пищеварительного тракта. С каждым днем науке становится известно все больше о последствиях дисбаланса микробиоты, от ожирения до аутоиммунных заболеваний – результаты очень разнообразны. Но мы уже знаем точно, что если кишечные бактерии находятся в плачевном состоянии, то и вы несчастливы.

Основная причина, по которой мы едим углеводы и жаждем их, т. е. цель их существования (по крайней мере, так думают наши клетки), заключается в том, чтобы питать наши тела. Углеводы – это чистая энергия. Как только сахар попадает в кровоток, остается два пути – сжечь его сейчас или сохранить на будущее (Рис. 2.1). Именно здесь вступает в действие гормон инсулин, вырабатываемый поджелудочной железой. Большинство клеток нуждаются в нем, чтобы молекулы глюкозы попадали внутрь них через их мембраны.

Сжигание углеводов для получения энергии – это двухэтапный процесс, который мы подробно обсудим ниже. Сахар в крови, который не пускается в дело немедленно, «упаковывается» в запасы гликогена в мышцах и печени (Рис. 2.1). Гликоген – это сложный углевод, подобный растительному крахмалу. Его легко использовать, когда требуется энергия, но он относительно тяжелый, потому что содержит равное количество углерода и воды (отсюда и термин «углевод»). Это как консервированный суп: быстро готовится, но тяжелый и громоздкий, потому что хранится с водой. У эволюционировавших людей, как и других животных, выработались жесткие ограничения на количество гликогена, которое может удерживать наш организм. Как только этот лимит исчерпан, сахар в крови должен деться куда-то еще. И единственный путь – это преобразоваться жир.

Когда потребности организма в энергии удовлетворены и запасы гликогена полны, избыток сахара в крови превращается в жир, о чем мы поговорим ниже. Жировые запасы немного труднее использовать в качестве топлива: нужно больше промежуточных шагов, чтобы преобразовать их в сжигаемую форму. Но это гораздо более эффективный способ хранения энергии, чем гликоген, потому что он очень плотный и не содержит воды. И, как мы уже знаем, практически нет предела тому, сколько жира способно хранить человеческое тело.

Жиры

У жиров довольно простой маршрут: они перевариваются до жирных кислот и глицерина, а затем встраиваются в тот жир, который уже есть в вашем теле и который в итоге вы потом сожжете. Проблема заключается в том, что они трудно перевариваются. Все дело в элементарной химии: масло и вода не смешиваются. Жиры (включая масла) являются гидрофобными молекулами, что означает, что они не растворяются в воде. Но, как и вся жизнь на Земле, системы нашего тела основаны на воде. Разбить большие куски жира на микроскопические кусочки просто водой невозможно – это все равно, что пытаться отмыть жирную кастрюлю без мыла. Какое же решение придумала эволюция? Желчь.

Долгое время считалось, что желчь влияет на настроение и темперамент, ведь именно она была одним из «четырех жизненных соков». Это один из примеров, когда умные люди верили в абсурдные вещи. Главные умы человечества, начиная с Гиппократа и заканчивая врачами и физиологами XVIII века, считали, что наличие слишком большого объема желтой желчи в организме делает людей агрессивными. Врачи пускали кровь людям, используя пиявок, если им казалось, что у человека нарушен гуморальный баланс. Это, кстати, одна из причин, почему медики, вероятно, убили больше людей, чем спасли до появления современной медицины около столетия назад. Сегодня мы знаем, что желчь – это вещество, которое помогает жиру перевариваться.

Желчь – это зеленый сок, вырабатываемый печенью и хранящийся в желчном пузыре. Последний представляет собой мешочек размером с большой палец, расположенный между печенью и тонким кишечником, соединенный с обоими короткими протоками. Когда жиры попадают в тонкий кишечник из желудка, желчный пузырь впрыскивает немного желчи в пищу. Желчные кислоты (также называемые желчными солями) действуют как моющие средства, разбивая шарики жира и масла на крошечные капельки эмульсии. После того как жир эмульгирован, к смеси добавляется фермент под названием липаза, вырабатываемый поджелудочной железой, который разбивает их на еще меньшие капли, микроскопические мицеллы, чей размер не превышает одной сотой диаметра человеческого волоса. Они формируются, распадаются и снова собираются, как пузырьки в газированном напитке. Каждый раз, распадаясь, они высвобождают отдельные жирные кислоты и глицериды (жирные кислоты, прикрепленные к молекуле глицерина), которые удерживали, – основные строительные блоки жиров и масел.

Жирные кислоты и глицериды всасываются в стенку кишечника и преобразуются в триглицериды (три жирные кислоты, прикрепленные к молекуле глицерина), стандартную форму жиров в организме. Здесь организм сталкивается со следующей проблемой переваривания жиров: плохо смешиваясь с водой, они имеют тенденцию собираться вместе в растворах на водной основе, таких как кровь. Густая кровь убьет вас, закупорив мелкие сосуды в мозге, легких и других органах. Эволюция нашла решение этой проблемы: триглицериды собираются в сферические формы, которые называются хиломикронами. Это удерживает жиры от слипания, но приводит к тому, что сферическое образование слишком велико, чтобы быть пройти через стенки капилляров и попасть в кровоток, откуда оно должно распределяться по всему телу.

Вместо этого молекулы жира, упакованные в хиломикроны, попадают в лимфатические сосуды. Эти сосуды, выполняя как надзорную роль, так и роль сборщика «мусора» в организме, образуются в сеть по всему телу, собирая мусор, бактерии и другие «обломки» и доставляя их в лимфатические узлы, селезенку и органы иммунной системы. Они хорошо подходят для сбора крупных частиц мусора, таких как хиломикроны, наполненные жиром. Лимфатические сосуды также собирают всю плазму, которая вытекает из кровеносных сосудов (около 2,8 л в день) и возвращают ее в кровеносную систему – так они играют роль своеобразного пропускного пункта в кровоток. Специализированные лимфатические сосуды (они называются хилусными, или млечными[15]) в стенке кишечника втягивают хиломикроны в лимфатическую систему, а затем сбрасывают их непосредственно в кровеносную, прямо туда, где находится сердце.

Белые наполненные жиром хиломикроны настолько раздуваются после жирной пищи, что могут придать крови кремовый оттенок. В конце концов, однако, они разрываются на части, и их содержимое втягивается в ожидающие клетки для хранения или использования. Фермент липопротеинлипаза в стенках кровеносных сосудов сначала расщепляет триглицериды на жирные кислоты и глицерин, которые втягиваются в ожидающие клетки, метко названные молекулами-переносчиками жирных кислот, прежде чем снова собираются в триглицериды. Большая часть жира хранится в жировых клетках (адипоцитах) и мышцах, образуя резервный топливный бак. Накопленные триглицериды – это жир, который мы ощущаем на животе и бедрах или видим на куске мраморной говядины. Проблемы возникают, когда организм начинает накапливать значительное количество жира в печени и других органах, что может привести к печеночной недостаточности и целому ряду проблем со здоровьем. Причины жирового гепатоза (ожирения печени) не всегда ясны, но избыточный вес является основным фактором риска.

Небольшая часть жиров, которые мы едим, используется для строительства таких структур, как клеточные мембраны, миелиновые оболочки, которые покрывают нервы и части мозга. Некоторые из жирных кислот, необходимых для построения этих тканей, не могут быть получены путем перестройки других и поэтому считаются незаменимыми – их нужно получать из пищи. Вот почему производители продуктов питания часто говорят о содержании омега-3 жирных кислот (незаменимых жирных кислот) в рыбе, молоке или яйцах.

Как и в случае углеводов, конечное назначение жира – причина, по которой вы жаждете его и по которой ваше тело прилагает усилия, чтобы переварить и сохранить его, – это сжигание в качестве топлива для работы организма. Все животные эволюционировали, чтобы хранить энергию в виде жира, потому что он содержит невероятное количество энергии: 9,1 килокалорий на грамм. Это, наравне с реактивным топливом, более чем в пять раз превышает плотность энергии нитроглицерина и почти в сто раз лучше, чем обычная щелочная батарейка. К счастью, процесс расщепления жиров для получения энергии происходит медленнее, чем взрыв динамита. Некоторые вещества этого типа сжигаются сразу после переваривания. Но большую часть времени между приемами пищи ваше тело использует накопленные жиры в качестве топлива. Триглицериды, из которых состоит накопленный жир, расщепляются на жирные кислоты и глицерин и используются для производства энергии (Рис. 2.1), что мы рассмотрим ниже более подробно.

Белки

Белки проходят интересный маршрут. В отличие от жиров и углеводов, они не являются главным источником энергии (если только вы не хищник). Основная роль этих веществ заключается в том, чтобы строить и восстанавливать мышцы и другие ткани, поскольку они разрушаются каждый день. Тело действительно сжигает белки для получения энергии, но это небольшая часть ежедневного энергетического бюджета.

Переваривание белков стартует в желудке с фермента, называемого пепсин, который начинает расщеплять их. Клетки в стенке желудка вырабатывают предшественник этого фермента, называемый пепсиногеном, который преобразуется желудочной кислотой в пепсин и затем, как Эдвард Руки-ножницы, измельчает все белки, с которыми вступает в контакт. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, когда пища покидает желудок, а ферменты выделяются поджелудочной железой.

Все белки усваиваются вплоть до их основных строительных блоков – аминокислот (Рис. 2.1). Аминокислоты – это класс молекул, имеющих форму воздушного змея: их головка как будто приклеена к хвостику. Голова у всех одинаковая – азотсодержащая аминогруппа, соединенная с карбоновой кислотой. Аминокислоты отличаются хвостами, которые всегда представляют собой конфигурацию атомов углерода, водорода и кислорода. На Земле существуют сотни веществ этого класса, но только двадцать одно используется для создания белков в растениях и животных. Девять из них считаются незаменимыми для человека, то есть наши тела не могут производить их самостоятельно – нужно получать их из пищи (не волнуйтесь: если вы еще не умерли, то получаете их). Другие аминокислоты тело может производить, если это необходимо, обычно путем расщепления и перестройки других веществ этого типа. Но мы забегаем вперед.

Следующая остановка на пути аминокислот – это построение тканей и других веществ, составляющих человеческий организм (см. Рис. 2.1). Как только белки из куска пиццы перевариваются в аминокислоты, они всасываются через стенки тонкого кишечника и попадают в кровоток. Из крови они проникают в клетки, чтобы построить белки, которые представляют собой цепочки аминокислот, связанных вместе. Построение белков из этих веществ – одна из основных задач ДНК. Ген – это участок ДНК, который выстраивает определенную последовательность аминокислот, чтобы сделать белок (некоторые гены являются регуляторными, то есть не собирают сами белки, а активируют или подавляют гены, собирающие их). Варианты в последовательности ДНК (последовательность нуклеотидов As, Ts, Cs и Gs) могут приводить к различным аминокислотным составам и, таким образом, к незначительно отличающимся белкам, из-за чего появляются биологические различия между людьми. Аминокислоты также используются для производства других молекул, таких как адреналин (гормон, отвечающий за реакцию «бей или беги») и серотонин, один из нейромедиаторов, используемых клетками мозга для общения.

Эти же ткани и молекулы со временем разрушаются. В итоге они превращаются обратно в аминокислоты и перемещаются по кровотоку в печень. Там все становится немного сложнее. Аминогруппа в аминокислоте имеет очень схожую структуру (NH2) с аммиаком (NH3) (обратите также внимание на сходство в названиях). Точно так же, как употребление домашнего чистящего средства на основе аммиака наверняка убьет вас, накопление этого соединения от расщепления аминокислот будет смертельным. К счастью, у нас развился механизм его превращения в мочевину, которая затем проходит через кровоток в почки и выводится с мочой. Именно это вещество придает моче тот пикантный запах, от которого слезятся глаза, что очень логично, ведь в ней содержится аммиак.

Каждый день мы выводим с мочой около пятидесяти граммов белка. При физических упражнениях расход увеличивается (а вместе с ним ускоряется и мышечный распад). Нужно потреблять достаточное количество этого макронутриента, чтобы восполнить то количество, которые мы теряем каждый день, чтобы не возникло его дефицита. Если мы едим больше белка, чем нужно, лишние аминокислоты превращаются в мочевину и выводятся с мочой. А если переусердствовать с протеиновыми добавками, то ваша моча просто будет очень дорогой.

Последняя остановка на линии белкового поезда – сжигание аминокислот для получения энергии (см. Рис. 2.1). После того как азотсодержащая головка отрубается, превращается в мочевину и отправляется в путь, хвосты используются для производства глюкозы (процесс, называемый глюконеогенез, что буквально означает создание нового сахара) или кетонов, которые могут быть использованы для получения энергии, как мы увидим ниже. Белки, как правило, составляют незначительную часть ежедневного энергетического бюджета, обеспечивая около 15 % калорий каждый день. Но они являются жизненно важным аварийным источником топлива, если мы голодаем (это, как если бы мы сожгли мебель, чтобы протопить дом). Скелетообразные фигуры жертв концлагерей являются ужасающим примером этого процесса, доведенного до крайности: их тела поглощают себя в отчаянной попытке остаться в живых.

Сжигай, детка, сжигай

Все дороги на нашей карте метаболических поездов ведут в конечном счете к одной цели – созданию энергии (топлива для организма). Углеводы, жиры и белки содержат запасенную химическую энергию в связях, которые удерживают их молекулы вместе. Их разрыв высвобождает энергию, которую мы используем для того, чтобы наши тела правильно функционировали.

Во всех биологических системах, включая человеческий организм, энергия имеет одну фундаментальную, общую форму – аденозинтрифосфат (АТФ). Молекулы АТФ подобны микроскопическим батарейкам, которые «заряжаются» путем добавления фосфата к аденозиндифосфату (АДФ). Обратите внимание на приставки «три» и «ди», что означает три фосфата у АТФ и два – у АДФ. Один грамм АТФ содержит пятнадцать калорий энергии (это калории, а не килокалории), а человеческое тело содержит только около пятидесяти граммов аденозинтрифосфата в любой момент времени. Это означает, что каждая молекула проходит путь от АДФ к АТФ и обратно более трех тысяч раз в день для того, чтобы мы получали достаточно энергии. Таким образом, сжигание белков, жиров и углеводов – это процесс передачи химической энергии в молекулах сахара, жира и аминокислот к химической связи, которая удерживает третий фосфат в молекулах АТФ. Когда мы используем пищу для производства энергии, то получаем аденозинтрифосфат.

Давайте начнем с одной молекулы глюкозы, преобладающей формы сахара, которую тело использует для получения энергии (c галактозой и фруктозой все происходит точно так же). Одна молекула глюкозы может поступать непосредственно из углеводов, которые мы только что съели, или из запасенного гликогена, который был преобразован в это соединение. Как мы начали обсуждать в конце раздела, посвященного углеводам, сжигание сахаров для получения энергии происходит в два этапа. Во-первых, глюкоза (C3H4O3) превращается в молекулу пирувата (C6H12O6) – это уже процесс из 10 этапов, который подпитывается от двух молекул АТФ, но производит четыре, что приводит к чистому двойному выигрышу. Это относительно быстрый процесс, и именно он помогает при коротких всплесках энергии, когда, например, нужно пробежать 100 метровый спринт, или во время силовой тренировки в спортивном зале.